电机轴轴向径向窜动检测装置研究课件.docx

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电机轴轴向径向窜动检测装置研究课件

摘要

本设计主要研究电机轴轴向径向窜动的检测方法。

首先提出对电机轴窜动监测的重要性，分析其轴向径向窜动的原因。

考察了目前电机轴窜动监测的手段和装置的现状，设计出了一套比较完善的在线监测系统。

根据测量原理，考虑电机轴窜动的频率和特点，综合考虑各种检测系统的优缺点，提出适合本系统的方案设计：

采用非接触性位移传感器来作为测量器件，导出轴窜动的电压信号，分析此信号的特征，选用相匹配的模数转换器。

由于本系统中有轴向和径向两路信号，需选择相适应的多路模拟开关，再把数据送单片机进行处理，并进行显示，如果所采集的数据超出工业要求，系统会自动报警。

系统的各种功能都由软件来实现。

软件的设计包括主程序，定时中断服务程序，数据的采集，显示子程序，键盘子程序。

关键词：

电机轴，窜动，单片机，传感器，模数转换器

Abstract

Theexaminationmethodofelectricityengineshaftaxialradialdirectionshakesismainlyresearchedinthisdesign.First,proposedtheimportanceofexaminationtheelectricityengineshaftmovesthemonitor,analyzesthereasonswhyitsaxialradialdirectioncanvibrate.Tostudythesituationofthemethodsandtheequipmentandsetofquiteperfecton-linecontrolsystemshasbeendesigned.Accordingtheprincipleofsurveying,andconsideringthefrequencyandthecharacteristicoftheelectricityengineshaftshakes,thesynthesisconsideredeachkindofexaminationsystemthegoodandbadpoints,proposedthedesignplanwhichsuitsthissystem:

Thenon-contacttransmittertosurveysignalisused,derivesvoltagewhichtheaxisshakes.Thecharacteristicofthissignalisanalyzed,andtoselectA/Dswitchwhichmatches.Becauseofinthissystemhastwogroupssignalsofaxialandtheradialdirection,themultichannelanalogswitchwhichadaptsischoused,thelastdeliversthedatatothemcuiscarriedonprocessing,andcarriedonthedemonstration,ifthedatasurpassestheindustryrequest,thesystemcanauto-alarms.Eachkindoffunctionofthesystemallrealizedbythesoftware.Themainroutine,interruptserviceprogram,datagathering,thedemonstrationprogramandthekeyboardprogramareincludedinthesoftwaredesign.

Keywords:

electricityengineshaft,shake,mcu,transmitter,A/Dswitch

0引言

电机是工农业及各行各业中使用最广泛的动力设备，其种类繁多，数量极大，是电气工作者在维修中涉及最多的电气设备。

维护好电机，使它处于良好的运行状态意义十分重大。

尤其是自动生产线上的电动机，一旦出了故障，若不及时处理，会造成重大的经济损失；而发电机若发生故障造成停机，经济损失更大。

因此，在故障发生之前进行预报在电机的日常维护保养工作中至关重要。

国内外电机维护的实践证明，电机运行状态监测及故障诊断技术可以有效防止电机故障的发生，既减少了设备和人身的伤害，又降低了部件损耗，为实现节能降耗创造了条件，同时还可以保证生产均衡组织，提高作业率，获取巨大的经济效益，也提高了电机的自动化控制水平。

目前，电机运行状态监测及故障诊断技术已成为电机高效运转的主要组成部分，所以研究电机运行状态在线监测装置的意义十分重大。

电机设备一般工作连续性强且安全可靠性要求较高，在日常维护和安装调试过程中，经常会遇到因电机轴的窜动使电机无法可靠运行。

因此，对电机轴窜动量的在线监测是电机运行状态监测的一项重要指标。

由于电机轴窜动的原因很多，仅凭耳听，手摸的原始方法，已很难全面、准确的判断电机轴的运转状态。

采用先进的电机轴窜动在线监测技术，通过掌握电机轴在一定时期的运转状态，对其进行分析，有利于电机维护人员在最合适的条件下有准备的进行停机与检修电机，从而保证了电机的修理质量，也减少了损失。

本设计将在前人研究的基础上，利用电涡流传感器作为测量器件，导出轴窜动的电压信号，再应用单片机系统对数据进行处理最终开发一套电机轴窜动在线监测装置。

此在线监测装置在所采集的数据超出工业要求时会自动报警，让电机维护人员及时采取相应的操作，以达到电机高效运转的目的。

1概述

1.1电机运行中故障的诊断

电机和所有的机器一样，在运行过程中有能量、介质、力、热量、磨损等各种物理和化学参数的传递和变化，由此而产生各种各样的信息。

这些信息变化直接地反映出系统的运行状态，而在正常运行和出现异常时，信息变化规律是不一样的，电机的诊断技术是根据电机运行时不同的信息变化规律，即信息特征来判别电机运行状态是否正常。

电机故障诊断过程应包括异常检查、故障状态和部位的诊断、故障类型和起因分析三部分。

在这里我们主要是对电机轴轴向径向窜动对电机的影响与检测方法的研究。

1.2电机轴窜动的原因

这里简单分析一下电机轴窜动的原因，影响电机轴窜动的因素是多种多样的。

譬如，定转子铁心棱形，长短超差较大，压入尺寸有误，错位严重等除影响电机电气性能之外都会使电机轴发生轴向窜动。

转子存在较大轴向游移、空间地基不平或同心度差致使转子轴向倾斜也会使转子发生窜动的现象。

另外，电机轴的窜动也与机器设计、构造方面的缺点及使用程度有关，如

轴对中不好，连接不良，定中心不准。

②联轴器不平衡，负载机械不平衡，系统共振等。

而这些原因往往是由制造厂带来的。

轴瓦巴氏合金脱层、龟裂，轴承与轴瓦安装间隙不合适，瓦壳在轴承座中松动，轴承动态性能不好，发生半速涡动或油膜振荡等这些轴承缺陷方面的原因，都能造成电机轴的窜动。

③如电机受到自身的、风路的或电磁的轴向作用力时，若转子存在较大的轴向位移空间，转子也可发生窜动的现象。

实验证明，内风扇直径减小，窜动量减小，内风扇直径增大，窜动量也增大。

④由于机器损伤或过度磨损，也会引起电机轴的振动。

根据电机的制造原理及结构和运行特性，可从以下几方面分析电机轴窜动的原因。

1）定子铁芯对转子与定子间作用的响应

电动机的定子通过三相电流产生旋转磁场，闭合的转子绕组（鼠笼条）在旋转磁场的作用下因产生拖动性的电磁转矩而旋转，此时定子绕组会受到相应的电磁力作用，该电磁力是电流分布、气隙与端部磁场分布的函数。

当电流分布改变时，产生作用力的谐波分量也会改变，而当其频率与定子铁芯固有振荡频率相近时，就会产生电机轴的窜动。

对发电机而言，在不对称负载时，会出现负序电流，产生有害的交变力矩作用，在转轴及定子机座上，引起频率为100Hz的振动。

另外，定子绕组在定子铁芯槽内受到多种机械力作用，线棒通过电流时，线棒本身及上下层线棒间和相邻槽内线棒的端线间会产生100Hz的交变电磁力，若线棒在槽内固定不好，将使线棒向槽壁压紧，并产生共振。

2）定子端部绕组对作用在绕组导体上电磁力的响应

电机端部绕组的结构布局呈“喇叭”状，其刚度较低，而柔性较大，运行中由于转子绕组端部漏磁场的作用，定子绕组端部和转子间会产生作用力，其方向是把定子绕组向外推。

由于漏磁场的存在，定子绕组和铁芯之间产生的电磁力把端部绕组推向铁芯。

而在端部线棒之间，当同相相邻两线棒电流同方向时，其相互作用力使它们相互挤压靠拢；而当隔相相邻线棒流过的电流方向相反时，则两线棒互相推开，在上下层绕组端部之间产生径向电磁力，而此作用力作用在端箍和绑绳上使绕组端部产生振动。

3）转子动力学分析

电动机转子一般为鼠笼式或绕线式，又可分为刚性转子和柔性转子。

刚性转子可以看成是一个等值的偏心质量绕轴旋转，而柔性转子一般是细长直径受到限制的发电机转子。

刚性转子：

当转子在高速下旋转，由于离心力作用发生中心偏移，会产生磁通气隙不均匀，感应电流大小、方向不规则，产生的电磁力大小也不同。

电机转子笼型绕组除了承受热应力、电磁力和离心力外，还受到加速和制动时所产生的切向应力，在导条伸出槽口部分受到切向力而产生弯矩，很容易造成转子鼠笼条发生断条，从而产生电机的振动。

　柔性转子：

在汽轮发电机中转子特别长且直径相对较小，发电机转子与汽轮机转子联结后，构成弹性-惯性扭转振动系统。

而发电机与锅炉、汽轮机、电网相互关联，因此会产生强迫扭振，这种振动可能是电气原因造成的，也可能是机械系统造成的。

例如:

并联运行的发电机，当机组与系统（电网）并列时，频率不等会出现拍振电压，产生拍振电流，其有功分量对发电机而言时正时负，制动转矩和驱动转矩交替出现，作用在转子上使发电机产生振动。

电机转子一般和机械负载连接，当机械负载的转轴中心与电机转子中心不正（即偏心）时，会产生单边磁拉力造成电机转子受力不均而发生振动。

另外，电机转子振动也与支撑它的轴承特性有关（大多数电机的轴承可看成是硬性轴承）。

4）　轴承振动分析

在电机运行中，作用在轴承上的力将引起轴承座与转子的相对振动和轴承座本身的绝对振动，这种作用无论是滚动轴承还是滑动轴承都会发生。

滚动轴承：

由于结构上的原因，滚动轴承产生一种固定频率的振动，由于它的油膜很薄，转子轴和轴承座之间的相对位移很小，除固定频率外还可能存在着由于滚动轴承本身的弹性变形所引起的更高频率的振动，以及轴承内外圈的自振频率振动，还有因轴承磨损而发生的不规则振动。

滑动轴承：

在滑动轴承中，轴是由高压油泵打进来的润滑油膜所支撑的，而润滑油膜由轴的传动带入到轴与轴承之间形成的，当油膜不稳定时会导致润滑油的涡动和起泡，使轴承产生非正常的反应。

而产生油膜不稳定的因素很多，如负载不稳定、转轴中心不正等都会造成油膜不稳定的变化。

合理的装配方法及正常的电机操作是解决这个问题的关键所在。

适当改变轴承结构零部件的尺寸公差配合，减小装配间隙，可以减小电机轴的窜动。

我们知道，热胀冷缩是物质的共性，电机在热态运行时其零部件发生热膨胀的现象是不可避免的。

假定轴承内圈、甩水环、甩油环与电机轴的配合是紧密的，在热态运行时不会发生与轴松脱滑动的现象，那么电机轴的最大窜动量便是轴承在轴承内外盖止口之间的装配间隙与球轴承轴向游隙之和，约为0～1.35mm。

一般情况下，电机轴轴向移动最大位移为2.50mm，径向窜动的最大位移为3.15mm。

1.3电机轴窜动检测的意义

机械化大生产出现以后，越来越多的机器设备投入了运行，流程化生产线的出现更使设备检查和维修成为生产活动不可或缺的一个环节。

随着生产的发展，生产装备更为先进和现代化，其标志主要是大型化，高速化，连续化和自动化，设备也变得更加精密和复杂，设备故障造成的经济损失也越来越大，所以设备的检测方法也越发显得重要。

随着科学技术的发展，电机已应用现代社会的工业生产的各个方面，对社会各个方面的发展起着不可估量的作用。

因此，我们有必要对电机运行的状态进行监控。

在所有与电机状态有关的故障征兆中，电机振动测量是最具有权威性的。

它能反映电机所有的损坏，并易于测量。

从转子动力学、轴承学的理论上分析，电机的运行状态，主要取决于其核心转轴，所以电机轴的正常转动是电机安全运行的一项重要指标。

过大的电机轴轴向、径向位移都将会引起过大的电机机构损坏。

因此对电机轴的轴向位移、径向位移这两个量进行实时监测可以对电机运行状态进行分析、判断。

近年来，随着电机生产数量逐年增多，反映出的质量问题也越来越多，其中主要是转子轴向窜动量较大影响配套设备的正常使用，同时对电机自身轴承损坏也较大，因此对电机轴轴向和径向窜动的检测方法的研究意义十分重大。

另外，电机日益增多，生产过程也日趋复杂，对电机的一些重要和关键的部位和项目进行连续监测，可以获得显著的效益，具体说有一下几个方面：

1）减少突发事故造成的停产损失；

2）减少维修次数和维修成本；

3）减少备件投资；

4）提高作业率与设备服役寿命；

5）可实现有计划的停机检查；

6）减少人员伤亡；

7）优化人员配置。

1.4电机的轴向位移和径向位移检测的研究现状

1.4.1电机轴轴向位移和径向位移的监测方法

研究电机的检测主要是在线检测。

目前，电机轴轴向位移和径向位移的监测方法有以下两种比较普遍的方法：

1）电机轴轴向位移和径向位移的总均方值的监测

电机轴轴向位移和径向位移的总均方值监测一直是最通用的监测方法。

测取在预选带宽之间内振动的总均方根是最简单的方法。

通常带宽为10HZ～1KHZ，或者为10HZ～10KHZ，这项技术，经过多年的应用，已经积累了大量有关电机故障的统计资料，并且公布了旋转振动的推荐标准。

标准规定：

当振动强度的变化量达到8dB及以上时，应加强监视；当振动强度变化量超过20dB时，则必须进行检修。

如经频谱分析表明，上述振动强度的变化是由高频分量的增加所引起的，则上述规定可分别放宽致16dB和40dB。

总均方值方法是测量Va与Xo（Va—最高速度，Xo—峰值到峰值的位移）。

然后将这些量定义一个参数F=0.52NX/V，其中N—电机的速度，单位r/min。

当F<1时，油膜涡动，当F=1时，系统正常，当F〉1时，轴对中不好，有静偏心。

2）电机轴轴向位移和径向位移的频谱监测

该方法就是对所收到的信号进行频谱分析。

把时域信号转换成频域信号进行分析的方法称频谱分析。

电机轴轴向位移和径向位移的频谱分析通常有几种不同层次的方法。

下面以窄带分析为例对该方法进行解释。

窄带分析能准确显示出输出信号的带宽的变化，在做故障诊断时就比总均值分析好。

运行人员可以用窄带分析来对机器的状态趋势做出最有效的判断，但这就要求有一条起始的基准频图，然后把由记录下的频谱图与之进行比较。

用数字处理的方法得到频谱，已是各离散频率点上数的序列，则能很快的计算出比较的结果，至于这些离散点相距有多远，则受测量仪器的限制。

因为窄带分析要生成大量的数据，所以根据标准预先设置电机轴轴向位移或径向位移的允许极限值，并在频谱图上画出这些允许极限值来。

当电机轴的轴向位移或径向位移超过这些极限值，就自动报警。

这些允许极限值在高频段时，余量较大。

1.4.2目前主要的测振仪

测振仪的发展有很长一段历史，也创造出了不少有相当高价值的成果。

这里主要介绍两种应用在电机方面的测振仪。

1）VM-63A便携式数字测振仪

日本理音（RION）公司生产的该测振仪如图1所示，重250克，主要用于机械设备的振动位移、速度（烈度）和加速度三参数的测量。

利用该仪器在轴承座上测得的数据，对照国际标准ISO2372，或者利用企业、机器的标准，就可确定设备（风机、泵、压缩机、电机等）当前所处的状态（良好、注意或危险等）。

　　该仪器自80年代中期以来，为我国各大中型企业采用后，至今已销售达两万余套，返修率极低，是一种理想的点检仪。

图1VM-63A便携式数字测振仪

2） VIB-10b便携式智能振动测量仪

 VIB-10b便携式智能振动测量仪如图2所示，是在VIB-10a振动测量仪的基础上增加了速度档的宽带振动评价标准（符合ISO10816-1：

1995，GB/T6075.1-1999标准），使检测人员在现场就能根据测试量值对设备运行好坏作出评价。

具有功耗低、精度高、可靠性好、整体设计美观、携带方便等特点。

十分便利于工矿企业对旋转机械（风机、汽轮机、压缩机、电机、机床等）的振动测量及设备运行状态的现场评估。

图2 VIB-10b便携式智能振动测量仪

目前的这些便携式振动测量仪一个最大的不足就是探头与电机轴的距离不能固定，完全凭借人的感官来控制，需要技术人员有很强的业务水平。

2系统方案的设计

2.1设计研究目标

本次设计研究的目标是设计一套自动检测系统，当电机轴发生轴向位移或者径向位移时系统能够在显示器上实时地显示出其窜动的位移，如果轴窜动位移超出电机安全运行允许的范围，系统会发出报警信号。

电机轴轴向和径向窜动的检测系统是以单片机为核心，位移传感器、AD574A模/数转换器及外围电路组成。

位移传感器采用非接触性的电涡流传感器，传感器导出轴窜动的电压信号，经A/D转换器转换成数字信号输入单片机进行处理。

所有测量操作均由单片机控制软件来完成。

系统可以检测位移传感器的输出信号。

检测人员可以根据数码显示实时监控到电机轴轴向和径向窜动的情况，工作人员根据实际的要求可以采取相应措施。

2.2测量方法的选择

振动是所有设备在运行过程中普遍存在的现象，机械振动是物体围绕其平衡位置作往复运动的方式。

每个机械系统都有一个固有振动频率，当外部激振力频率接近系统固有频率时，系统的振动将会加剧并产生共振。

描述振动的量有：

位移、速度、加速度、相位角、频率和振动力等。

因此，对于振动的测量方法也是多种多样的。

测量量的选择，主要取决于被测设备的尺寸和设备的振动频率范围。

一般来说。

对那些型式相同尺寸也相同的设备，其固有振动频率大致相同。

虽然，当振动速度增加时，振动位移量将要减小，但振动加速度却要增加，这表明，随着应用频率的上升，最好从位移传感器改用速度传感器，频率再高则选用加速度计。

特别要注意的是，当被检测系统运动部分质量较小，传递的力也是很小的时候，用位移传感器来测它的振动是最好的方案。

根据测量特征量的不同，选用传感器、测振设备和测量方式也有所不同。

因此，测量时首先应考虑选择哪个特征量作为振动强度的评估值比较合适。

通常认为：

1）低频时，振动体的振动强度与位移成正比；

2）中频时，振动体的振动强度与速度成正比；

3）高频时，振动体的振动强度与加速度成正比。

对电机来说，振动适用的主要频率范围是中频，通常把振动速度作为电机振动是否正常的评估量。

但根据本系统特征，考虑电机轴窜动的频率，决定采用位移传感器来作为测量元件。

设计流程框图如图3所示。

图3设计的流程图

2.3数据的获取与处理

2.3.1数据的采样

在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，必须把现场的各种测试参数转换为计算机可识别的数字量输入计算机进行数据处理。

处理结果又必须转换为电压或电流，以推动执行机构工作。

因此，模拟信号的数字化处理在计算机控制、数字信号处理和数字通信等领域中占有极为重要的地位。

通常模拟信号都是连续变化的，是时间的函数。

通过采样以后，将信号转化为时间上离散的值。

经证明知道，对一个具有有限频谱的连续函数（频带为

）进行采样，仅当采样频率ωs≧2ωmax时，采样函数才能不失真地恢复到原函数（香农采样定理）。

香农采样定理为现代数字通讯、数字信号处理和数字控制系统采样周期的选择提供了理论依据，给出了采样周期的上限。

但实际上，f（t）的最高频率是很难确定的。

首先，采样定理要求取得所有的采样值后才能确定被采样的时间函数，然而在实际的计算机控制中，后面的采样动作发生之前，计算机就要对生产过程进行控制。

其次，采样定理假定了采样器是理想的f*（t）是瞬时抽样值，实际上这些理想条件是不存在的。

所以，在实际的实时数字控制系统中，采样频率并不能简单地以ws=2wmax来选取，它与数字控制器的字长、系统的结构、被控系统的期望性能指标以及接入的各种滤波器的状态参量等有关，同时它必然带来滞后效应，对于快速的数字控制系统必须考虑这种难以补偿的延迟。

所以实际上采样频率的选择是一个比较复杂的问题，必须综合各方面的因素作出最佳的选择。

通常我们在工程上选择采样频率的基本原则是:

在满足系统性能的前提下，尽可能选择较低的采样频率。

对大多数工业生产过程中的物理量的控制，采样周期的选择可以按表1所列数据作为参考，再经现场调试最后确定采样周期。

表1采样周期参考值

物理参数

流量

压力

物位

温度

成分

采样周期

1～5

3～10

6～8

15～20

15～20

2.3.2数据的处理

在此数据采集系统中，数据信号首先经过功率放大器，将微弱信号转变成标准信号，在滤波器的作用下，尽量剔除混入原始信号中的干扰部分，在采样、保持脉冲的作用下，将信号暂时保存起来，在多路开关的作用下进入A/D转换器。

1）功率放大器

模拟量输入通道中的放大器主要用来提高输入信号的信噪比及采样数据的精度，同时满足A/D转换器规定的量程输入。

常用的放大器有四种类型:

通用运算放大器、仪用放大器、隔离放大器和可编程放大器。

一般在满足电气特性的前提下，尽可能选用价格低廉、货源充足的电子元器件。

2）滤波器

测量信号被放大的同时，混杂在其中的噪声和干扰信号也被放大。

滤波器可以用来突出有用信号而削弱其他信号。

不同信号往往具有不同的频率，因此滤波通常用具有频率选择特性的电路来实现。

常用的滤波器有一阶低通、二阶低通和高通滤波器。

在实际应用中，先要仔细分析有用信号和杂散信号的频率关系，再来选择合适的滤波电路。

3）采样/保持器

采样保持器的作用是用来“凝固”随时间变化的快速模拟信号，以减少由于转换时间所引起的转换幅值误差。

A/D转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给ADC的模拟量发生变化，则不能保证精度。

4）多路开关

在满足切换速度要求，且路数较多的场合，尽可能地选择单片模拟开关，以保证每路特性参数的一致性。

模拟开关的选择还要顾及后面A/D转换器的工作速度，一般后者速度应高于前者的速度。

还需注意的因素有:

串扰、建立时间和带宽。

5）模数转换器

数据采集是各种智能仪表、工控系统、科学试验等工作中必不可少的任务，它是将实时变化的各种物理量如温度、压力、流量等先经过各种传感器和变换器变成电压或电流信号，再经过模数转换器（以下简称A/D）变成数字信号，送到单片机或微机进行运算、显示、打印、控制等处理。

A/D转换电路是整个数据采集系统的核心，它将采样获得的连续电压转换为数字量。

一般有双积分型和逐次比较型等类型。

逐次比较型A/D转换时间可达到lms以下，电路简单，在工业中应用广泛，但抗干扰能力较差，需要与滤波电路和采样保持器配合使用。

在瞬态检测中，被测信号的频率要有一定的限制。

现在很多单片机内部已经嵌入了A/D，简化了硬件设计，但是这种A/D的精度一般仅为10位或8位，满足不了一些要求较高的应用需求。

本系统采用A/D574A转换模块。

由于被测非电量的环境比较恶劣，干扰源比较多，除了在模拟系统采用必要的各种硬件滤波电路外在用计算机组成的非电量自动测量系统和智能化仪器中，为了减小对采样值的干扰，提高系统的可